Tecnología revivida utilizada para contar fotones individuales de galaxias distantes

Utilizando un instrumento en el Telescopio de Investigación Astrofísica del Sur de 4,1 metros, los investigadores obtuvieron el primer espectro astronómico utilizando dispositivos patrón de carga acoplada (CCD).

Los resultados fueron presentados el 16 de junio en la Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Fotoóptica Telescopios Astronómicos + Instrumentación encuentro en Japón por Edgar Marrufo Villalpando, Ph.D. candidato en la Universidad de Chicago y ganador del Premio Fermilab DOE Graduate Instrumentation Research Award.

«Este es un hito importante para la tecnología CCD-Captain», dijo Alex Drlica-Wagner, cosmólogo del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos, quien dirigió el proyecto. «Esto ayuda a eliminar los riesgos percibidos al utilizar esta tecnología en el futuro, lo cual es de vital importancia para futuros proyectos de cosmología del DOE».

Este es un logro importante para un proyecto concebido e iniciado a través del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio en Fermilab en colaboración con el grupo de detectores NOIRLab de NSF. El LDRD es un programa nacional patrocinado por el DOE que permite a los laboratorios nacionales financiar internamente proyectos de investigación y desarrollo que exploran nuevas ideas o conceptos.

Los CCD se inventaron en Estados Unidos en 1969 y, cuarenta años después, los científicos recibieron el Premio Nobel de Física por su logro. Los dispositivos son conjuntos bidimensionales de píxeles sensibles a la luz que convierten los fotones entrantes en electrones. Los CCD convencionales son los sensores de imagen que se utilizaron por primera vez en las cámaras digitales y siguen siendo el estándar para muchas aplicaciones de imágenes científicas, como la astronomía, aunque su precisión está limitada por el ruido electrónico.

Los cosmólogos intentan comprender la naturaleza misteriosa de la materia y la energía oscuras estudiando las distribuciones de estrellas y galaxias. Para ello, necesitan tecnología avanzada que pueda ver objetos astronómicos más débiles y distantes con el menor ruido posible.

La tecnología CCD existente puede realizar estas mediciones, pero lleva mucho tiempo o es menos eficiente. Por tanto, los astrofísicos deben aumentar la señal -es decir, invertir más tiempo en los telescopios más grandes del mundo- o reducir el ruido electrónico.

Los CCD Skipper se introdujeron en 1990 para reducir el ruido electrónico a niveles que permitieran la medición de fotones individuales. Lo hacen tomando múltiples medidas de píxeles interesantes e ignorando el resto. Esta estrategia permite que los CCD skipper aumenten la precisión de las mediciones en regiones interesantes de la imagen y al mismo tiempo reduzcan el tiempo total de lectura.

En 2017, los científicos fueron pioneros en el uso de CCD skipper para experimentos de materia oscura como SENSEI y OSCURA, pero la nueva presentación mostró la primera vez que se utiliza la tecnología para observar el cielo nocturno y recopilar datos astronómicos.

El 31 de marzo y el 9 de abril, los investigadores utilizaron CCD skipper en el espectrógrafo de campo integral SOAR para recolectar espectros astronómicos de un cúmulo de galaxias, dos quásares distantes, una galaxia con líneas de emisión brillantes y una estrella potencialmente asociada con una materia oscura. -Galaxia ultra débil dominada por Por primera vez en observaciones astrofísicas CCD, lograron ruido de lectura de subelectrones y contaron fotones individuales en longitudes de onda ópticas.